主要内容
生物
原核生物分类与多样性
不同的原核生物。细菌与古细菌的进化关系。极端微生物。
要点:
- 细菌和古生菌这两个原核生物域在生命进化的早期就彼此分离了。
- 细菌是非常多样化的,从致病的病原体到有益的光合作用和共生系统。
- 古生菌也是多种多样的,但没有一种是致病的,许多古生菌生活在极端环境中。
- 一种名为 宏基因组学 的DNA测序方法让科学家们能够识别新的细菌和古生菌物种,包括那些无法培养的物种。
介绍
原核生物,包括细菌和古生菌,几乎无处不在——在每一个生态系统中,在我们家园的每一个表面上,在我们的身体内部!有些生物生活在其他生物无法生存的极端环境中,比如海底的热喷口。
虽然原核生物在我们周围随处可见,但它们很难被发现、计数并分类。我们今天所知道的原核生物只是原核生物中很小的一部分。 事实上,“物种”的概念在原核生物的世界里变得非常复杂!
在这篇文章中,我们将首先看看原核生物的主要类群。然后,我们将探索为什么识别和分类它们很困难。最后,我们将看到DNA测序方法如何帮助我们更好地了解我们周围的原核生物。
原核生物的“家族树”
在很长一段时间里,所有原核生物都被归为一个域(最大的分类学分组)。
然而,微生物学家卡尔·沃斯在20世纪70年代的研究表明,原核生物分为两种截然不同的谱系(或称世系):古菌和细菌。今天,这些群体被认为构成了三分之二的生物域。第三个域(真核生物域)包括所有真核生物,如植物、动物和真菌。
自从数百万年前细菌和古生菌彼此分离以来,它们已经分裂成许多类群和物种。
细菌
细菌域包含 个主要类群:变形杆菌、衣原体、螺旋体、蓝藻细菌和革兰氏阳性菌。
变形杆菌被细分为五个类群,从A/α(alpha(阿尔法),希腊语字母表的第一个字母)到E/ε(epsilon,希腊语第五个字母)。这些群体中的物种有着广泛的生活方式。有些细菌与植物共生,有些细菌生活在深海热泉中,还有一些细菌会引起人类疾病,如胃溃疡(幽门螺杆菌)和食物中毒(沙门氏菌)。
其他四种主要的细菌种类也很相似。衣原体是寄生在宿主细胞内的病原体,而蓝藻细菌是制造地球上大部分氧气的光合作用体。螺旋体包括无害细菌和有害细菌,如引起莱姆病的 伯氏疏螺旋体 。革兰氏阳性菌也是如此,从酸奶中的益生菌到 炭疽杆菌 。
古生菌
古生菌域包含 个主要类群。有趣的是,到目前为止,还没有发现是人类病原体的古生菌。
古生菌确实存在于我们的身体和动物的身体里——例如,在内脏里——但它们似乎都是无害或有益的。虽然有假设,但没有人确切知道为什么古菌都是“友好的”,即为什么没有致病的物种进化。
除了享受人类肠道舒适环境的古菌外,还有许多 极端微生物 物种生活在更加荒凉的地方。这些地区包括火山温泉、海底热喷口,以及像死海这样含盐量很高的地方。
许多“神秘的原核生物”
多年来,研究原核生物的主要方法是在实验室中培养它们。如果一种生物可以在琼脂平板或液体培养中生长,那么它就可以被研究、分析,并添加到我们不断增加的原核物种和菌株的目录中。
然而,一些原核生物不能在实验室环境中生长(至少在科学家尝试过的条件下不能)。事实上,估计有 的细菌和古生菌是不能培养的!
这代表了我们对原核生物理解上的巨大差距。关于上下文,有 种已知的真核物种 。如果把培养能力的问题应用到真核生物上,就像应用到原核生物上一样,我们只知道所有物种中的 种。这将导致一个非常空的生命树,以及对真核生物(作为一个类群)非常不完整的理解。例如,我们可能知道有动物,但对植物或真菌一无所知!
什么是原核物种?
要想讨论原核物种的发现,我们可能需要定义它们是什么。这似乎是一个基本的问题,但如果你是一个微生物学家,这是一个复杂甚至有争议的问题。
对于真核生物,大多数科学家将物种定义为一组可以杂交并产生可育后代的有机体。这个定义对于有性繁殖的物种来说是有意义的,但是对于像细菌这样的有机体来说就不那么适用了。细菌通过无性繁殖来克隆自己——它们不会杂交。
相反,科学家根据外表、生理和基因的相似性将细菌和古生菌分类。 许多是用传统的林奈分类法命名的,包括一个属和一个种。然而,如何以及是否应该将原核生物归入物种的问题仍然是科学家们争论的话题。对这些生物来说,正确的“物种概念”仍在研究中。
宏基因组学:微生物研究的新视角
科学家估计可能有数百万种原核生物(或类物种群体),但我们对其中大多数知之甚少。 由于大规模的DNA测序,这种情况开始改变。
DNA测序使科学家有可能在他们的自然栖息地研究整个原核生物群落——包括许多不能培养的原核生物,这些原核生物以前对研究人员来说是“看不见的”。
这种群落的集体基因组称为宏基因组,对宏基因组序列的分析称为宏基因组学。原核宏基因组学是我觉得最酷、最神秘的生物学领域之一。
例如,可以从温泉微生物层中提取DNA样本,例如在黄石国家公园发现的美丽的、五颜六色的生物层。即使是来自这个丰富群落的一个很小的样本,也包含了许多不同物种的个体。
通过测序和分析宏基因组DNA样本,科学家有时可以拼凑出以前未知物种的整个基因组。在其他情况下,他们利用特定基因的序列信息来确定原核生物的类型(以及它们之间或与已知物种之间的关系)。在DNA样本中发现的基因也可以为群落中生物体的代谢策略 提供线索。